染料廢水污染地下水的可滲透性反應墻(PRB)參數試驗研究

李厚恩,王 林,陳素云,馬齊悅,趙洪宇,陳國華

(1.北京市勘察設計研究院有限公司,北京 100038;2.北京環境巖土工程技術中心,北京 100038;3.巢湖市生活廢棄物管理中心,安徽 巢湖 238000)

0 引言

染料廢水常具有高濃度、高色度、成分復雜、難降解、難生化等特點[1],一直是廢水處理的難點。被染料廢水污染的地下水,由于其治理修復受到地質與水文地質條件的影響,其修復難度較大。近年來,可滲透反應墻(permeable reactive barrier,PRB)技術是目前迅速發展的一種原位修復技術[2]。PRB是一種以污染物治理為目的,將所需的反應介質裝入地下的可滲透反應墻體內進行反應的污染物處理系統,它的結構可阻斷污羽狀體,可將其中的受污染物質轉化為低毒可適應環境的物質,PRB可不破壞地下水體的流動性。簡單來說,PRB 系統是一個裝載特定反應介質的活性反應區,當受污染的地下水流經該區域時,污染水與反應區的反應介質發生各種生物、化學、物理反應從而使受污染水得到凈化和去除。這種技術是近些年快速發展的一種處理受污染地下水的原位修復技術,其優勢在于穩定高效、安裝便捷、維護方便、成本相對較低,在逐漸代替運行費用高、工程復雜、能耗較大的抽出-處理技術,在地下水修復方向具有良好的前景。

染料廢水常用的吸附材料微活性炭、大孔樹脂等[3]。近年來,將零價鐵(ZVI) 用于環境污染治理逐步發展為一種新型、高效的修復手段[4-7]。Zemb 等[8]將 mZVI 應用到 PRB 技術修復污染場地時,監測到1,2-DCA 一定程度的去除,原因是ZVI腐蝕反應生成OH-,中和了含水層酸性物質,為微生物生長提供了中性環境。ZVI還可使地下水快速達到理想的厭氧環境,產生的H2亦可作為電子供體促進厭氧微生物的生長。地下水中的含氯有機物作為電子受體,主要通過兩個途徑進行還原脫氯:氫解反應(Hydrogenolysis)、β-消除反應(β·elimination)。氫解反應是指化合物中的一個氯原子被氫原子置換,一般一步反應只置換一個氯原子。李書鵬[9]等采用零價鐵一緩釋碳修復氯代烴污染地下水的中試研究,結果顯示:零價鐵一緩釋碳技術可以高效地將地下含水層中的氯代烴污染物脫氯降解。其中1,2-二氯乙烷的去除率達 99.90%以上,1,1-二氯乙烷的去除率達86.00%以上,氯仿的去除率達98.00%以上。

Fe0和氯代烴類的化學反應如下[10]:

(1)

脫鹵反應結果使地下水的pH值升高,在厭氧環境中引起Fe(OH)3和FeCO3沉淀;在富氧環境中,會形成Fe(OH)3和FeCO3沉淀。生成沉淀對于降低Fe的次生污染十分有益;但是由于沉淀和吸附作用,可能在金屬表面形成一層反應保護膜,阻礙了反應的進一步進行。

本實驗選用受染料廢水污染的地下水為研究對象,針對地下水中1,2-二氯乙烷、色度兩項特征污染物進行了PRB填料的篩選試驗。

1 研究方法

1.1 研究區域概況

1.1.1 研究區域的污染情況

地下水修復區域面積約965 688 m2、修復體量15 264.38 m3。受染料廢水的污染,地下水中的特征污染物1,2-二氯乙烷、色度。地下水中污染物濃度與修復目標值見表1。

表1 地下水特征污染物修復目標值一覽表

其地下水中1,2-二氯乙烷濃度分布見圖1。

圖1 地下水中1,2-二氯乙烷濃度分布等值線圖

1.1.2 地層分布條件

研究區域最大勘探深度(7.00 m)范圍內的土層按地層沉積年代、成因類型可劃分為第四紀和奧陶-志留紀地層,現分述如下:

1)第四紀地層

廣泛分布于調查地塊地表,巖性以含土砂礫石為主,厚度一般小于2 m,局部位置處第四系厚度較大,本次補充調查揭露的第四系最大厚度為7 m(井11位置處)。

2)奧陶-志留紀巖層

第四紀松散層之下為奧陶-志留紀地層,主要巖性為片巖、板巖、千枚巖、變質砂巖。表層風化破碎嚴重,為全風化-強風化層。全風化-強風化層之下為中風化層,巖石裂隙不發育。

1.1.3 水文地質條件

1)地下水分布條件

研究區域最大勘探深度(7.00 m)范圍內可分布1層地下水,主要賦存于第四系含土砂礫石和其下的全風化-強風化基巖中,含水層厚度在0.14～6.41 m之間,地下水類型為潛水。2020年12月17日-2021年1月13日期間地下水監測井中量測的地下水靜止水位埋深為0.33～4.44 m,水位標高為1 156.85～1 188.65 m。該層地下水在地塊范圍內分布不連續,局部位置處未揭露到該層地下水。

2)地下水流場

地下水的總體流向為自北向南,地塊中部區域的地下水流向為自西北向東南。地塊南部區域地下水水力梯度約為4‰,其他區域地下水水力梯度約為8‰～9‰。

1.2 研究方法

1.2.1 PRB墻活性炭吸附材料的配比試驗

選擇活性炭作吸附材料,進行活性炭添加量試驗,試驗用水采用修復地塊內的地下水。

取5個燒杯,分別加入1L污染水,其中1號為對照組,2號、3號、4號、5號分別加入質量配比0.5‰、1‰、2‰、4‰的再生活性炭,充分攪拌。

1.2.2 PRB墻零價鐵(ZVI)還原材料的配比試驗

采用DN80的PVC管作為試驗工具,內分別放入0 m、0.1 m、0.3 m、0.5 m的零價鐵粉、0.1 m的鐵粉+0.4 m次氯酸鈣進行ZVI還原1,2-二氯乙烷可行性與配比試驗。試驗用水采用修復地塊內的地下水,4 L的試驗用水從試驗裝置頂部裝入,通過填料淋濾,淋濾液送往實驗室檢測。

2 結果與討論

2.1 活性炭吸附脫色結果分析

活性炭吸附脫色試驗過程照片見圖2。

圖2 活性炭吸附效果照片

由活性炭修復脫色試驗過程對比照片可知,分別加入相應配比的活性炭后充分攪拌,溶液立即變為黑色,短時間內活性炭難以沉淀,大約 2 d活性炭基本能夠沉淀并吸附大部分有機物并基本去除溶液顏色。根據試驗,0.5‰～1‰的質量配比的活性炭能夠有效去除染料廢水的顏色。

2.2 鐵粉還原1,2-二氯乙烷效果分析

鐵粉還原1,2-二氯乙烷的結果見表2。

表2 鐵粉還原1,2-二氯乙烷結果一覽表

由表2可知,采用不同厚度的鐵粉還原1,2-二氯乙烷,鐵粉的滲透系數為0.64 m/d,處理4L濃度為375 ug/L的1,2-二氯乙烷的地下水,其中0.5 m厚的鐵粉還原1,2-二氯乙烷的效果較好,1,2-二氯乙烷的去除率為73%;0.1 m厚的鐵粉與次氯酸鈉混合去除1,2-二氯乙烷的效果與單獨0.1 m厚鐵粉去除1,2-二氯乙烷效果相比,1,2-二氯乙烷的去除率沒有明顯提高,鐵粉與修復污染水的質量比為489%。

2.3 PRB墻參數設計

2.3.1 反應單元厚度設計

反應單元厚度計算公式如下:

b=SF·v·tres

(2)

式中:b為PRB的最小厚度(m);v為通過反應介質格柵的地下水流速(m/d);SF為安全系數;

(3)

式中:tres為滯留時間(d);C0為進入PRB的污染物濃度(mg/L);CT為PRB下游污染物(含副產物)的設計濃度(mg/L);k為反應速率(1/d)。

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根據研究地塊的水文地質條件,含水層滲透系數取13.3 m/d,地下水的水力梯度為8‰,PRB填料采用顆?；钚蕴?、鐵粉、石英砂,填料的滲透系數最小為周邊地層的2倍,最佳為10倍,故活性炭等填料的滲透系數最佳為130 m/d,最小為26.6 m/d。,則通過反應介質通過格柵的地下水流速v為0.21～3.12 m/d;tres根據試驗結果確定,按照活性炭的吸附時間2 d計,安全系數SF按1.5計,則墻體厚度b最佳為3 m,最小為0.65 m。

2.3.2 墻體深度與墻體長度的選擇

根據研究地塊的水文地質條件,墻體深度應嵌入中風化基巖層為1.5 m,含水層厚度為1.10 m;墻體長度需根據污染源與污染羽的分布特征確定,初步按30 m計。

2.3.3 填料的添加量

1)根據測定的實際場地地下水污染物濃度、地下水流速和流量,計算每年流過反應介質的污染物總質量t1,單位:g/a;

2)采用等溫吸附試驗,以實際的地下水為反應體系,建立吸附反應動力學曲線,計算Freundlich和Langmuir模型的動力學參數,獲得反應介質對某個污染物的最大吸附量t2,單位:g/kg;試驗地塊的填料最大處理量采用活性炭與鐵粉的試驗結果。

3)根據反應格柵介質的添加量w(kg),計算反應介質的理論壽命N:

N=t2w/t1

(4)

N按8 a考慮。

則W鐵粉=2 734.7 kg、W活性炭=14 000 kg。

為了保證反應格柵介質的滲透系數為周邊地層滲透系數的10倍,需添加石英砂調整填料的滲透系數,石英砂的添加比例根據滲透系數試驗確定。

3 結語

(1)針對染料廢水中的色度,采用活性炭吸附能夠有效地吸附,活性炭與污染地下水的配比為0.5‰～1‰的質量配比。

(2)采用不同厚度的零價鐵(ZⅥ)還原1,2-二氯乙烷,鐵粉的滲透系數為6.4 m/L,處理4L濃度為375 ug/L的1,2-二氯乙烷的地下水,其中0.5 m厚的鐵粉還原1,2-二氯乙烷效果較好,1,2-二氯乙烷的去除率為73%,鐵粉與修復污染水的質量比為489%。

(3)在進行可滲透性反應墻設計時,需考慮含水層的滲透系數、水力梯度、停留時間等計算墻體厚度;考慮地下水中目標污染物濃度、設計年限等,根據試驗確定的配比等確定填料的添加量;在設計時,需考慮安全系數。